CN104025328A - 具有突出的单元堆的热电变换器 - Google Patents

Abstract

一种热电变换器，该热电变换器由被隔板分成高压腔室和低压腔室的充气室形成并且包括从该隔板正交地突出到其中一个室的串联耦合的碱金属热电电池的堆。

Description

具有突出的单元堆的热电变换器

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年10月21日提交的，名称为“Concentration-mode Thermoelectric Converter（C-TEC）”的美国临时专利申请No.61/627,949的优先权并且通过引用并入。

技术领域

本文公开涉及热-电发电。

背景技术

图1A和1B示出碱金属热电变换器（AMTEC）的现有技术实施方式100和200。在图1A的实施方式中，充气室101被分成高和低纳蒸汽压力腔室102、103，其中试管状热电单元105从高压腔室突出到低压腔室。每个单元均分别由被夹设在多孔内部电极和多孔外部电极（阳极109和阴极111）之间的固体电解质突出部107形成。固体电解质用作离子导电体和电子屏障两者，在两个腔室之间（即，跨压力梯度）传导热激活钠离子，同时对应的自由电子在阳极处被收集。所形成的跨固体电解质的电势产生从阳极通过外负荷115（输送电力）并且回到阴极的电流，其中电子与穿过电解质的钠离子以减少（或中和）至钠蒸汽而重新结合。设置电磁泵（未示出）以使汇聚的液体金属钠从低压腔室返回到高压腔室。

为了限制功率消耗欧姆损耗，绕接线或其他辅助电流收集结构通常覆盖相对低电导率的多孔电极。不幸地，这样的结构倾向于在变换器的热挑战环境中过早地退化。例如，缠绕的线倾向于随着时间的过去损失物理和电接触（例如，由于线和它们环绕的线和结构的不均匀的热膨胀/收缩），从而增大I²R损失并且因此使变换器的功率密度退化。

在图1B中以截面图示出的热电变换器120中，串联耦合的、环状AMTEC单元125₁-125₃的堆在圆柱形充气室122的上壁和下壁之间延伸，从而形成由固体电解质单元壁分开的同心的环状腔室122、123（即，高蒸汽压力腔室和低蒸汽压力腔室）。理论上，该布置通过提高输出电压（即，由于它们的串联互连的优势的单独的单元的电压之和）并且相应地降低整个变换器的输出电流来减小困扰管状单元设计的I²R损失。实际上，然而，该同轴腔室布置遭受许多缺点。首先，必须注意避免通过单元对单元的互连结构使相邻单元的阳极或阴极（即，处于不同电势的电极）短路，必须注意通过在每个较低电势单元的阳极和至下面较高电势单元的互连件之间留出间隙131（以详图示出130）（类似的间隙132设置在每个单元的阴极和至上方的较低电势单元的互连件之间）解决的复杂性。不幸地，除非这些从发电立场构成死区的电极间隙被不切实际地制造得很大，否则显著地泄漏电流流过电压梯度，从而使设备功率密度退化。而且，在存在热钠蒸汽时暴露的固体电解质和导电的互连件的结合构成三相点，在该三相点处由钠电离释放的电子通过单元对单元互连件被分流道单元阴极，进一步耗尽跨固体电解质的电压差并且因此进一步使变换器的功率密度退化。虽然溅射的非多孔绝缘体已被建议覆盖间隙（并且因此覆盖三相点），但是这样的覆盖的生存能力是令人怀疑的，特别是在高压腔室中。此外，研究显示溅射涂膜对减少流过阳极和互连件之间的电压梯度的泄漏电流作用很小。

变换器120的环状设计带来了附加的复杂化。举例来说，单元堆和其至充气室壳体的相对两端的互连件在热膨胀/收缩期间（即，当充气室壳体和单元堆部件倾向于不均匀地展示膨胀/收缩时）经受显著地应力/应变、机械磨损力，其中机械磨损力倾向于使设备功率密度退化并且导致过早破坏，特别是在包括频繁的温度循环的应用中。同轴加热布置还增加复杂性（要求热被注入盲孔中）并且倾向于因为热从内部热源朝着充气室的冷容器壁直接辐射而是热效率低的。可能更重要地，热源和充气室壁之间的大的温度梯度（以及单元堆和冷充气室壁之间的相对短的距离），并且使得难以防止钠浓缩在单元堆表面上，因为导电钠浓缩物造成的高度成问题的现象能短路单元彼此之间的不同电势，从而严重地干扰变换器的操作。

又另外的问题困扰图1B的实施方式。例如，跨堆中的最后的单元与其至壳体的互连件（即，鉴于壳体的两端处的物理单元堆连接）之间的间隙的高电压呈现泄漏电流源，其随着单元计数并且因此随着跨最后间隙的电压增长变得愈加麻烦，泄漏比完整的堆中的相对少量的单元（例如，三个单元）更多的单元。类似地，用于使相邻单元互连件的金属板135不仅增加部件计数，而且构成死区，所述死区随着单元计数增长消耗单元堆表面积的渐增的比例，再次泄漏比少量堆叠的单元更多的单元。而且，在图1A和1B的实施方式中，灵敏的装置阴极通过至低压蒸汽腔室的腔室壁的视线接触而暴露，从而导致因来自壳体中的材料的污染（诸如从不锈钢逸出的铬或锰）而缩短电极的寿命。

附图说明

本文的公开以示例的方式而不是以限制的方式在附图的图中示出，并且其中相似的附图标记指的是相似的元件，并且附图中：

图1A和1B示出了现有技术碱金属热电变换器；

图2示出了具有多堆从腔室限定隔板正交突出的碱金属热电变换单元的热电变换器的实施例；

图3示出了能用来在图2的突出的单元堆内实施单独的单元的示例性低纵横比热电单元的横截面；

图4示出了根据一个实施方式的突出的单元堆的局部横截面；

图5示出了图4的单元-单元互连件和突出隔离的展开图，强调了阳极和单元互连件之间的延长的表面路径长度；

图6示出了突出的单元堆中的热电单元的替代互连件；

图7示出了根据图6的隔离的电解质实施例的突出的单元堆的剖面图；

图8示出了由图7的实施例获得的整体电互连件；

图9A至图9C示出了能被用来实施参照图4至图8描述的突出的隔离（或绝缘体）的离散的且板结合的隔离的另选实施方式；以及

图10示出了在突出的单元堆内的热电单元的电极（电子导体）和电解质的电阻的集总元件模型。

具体实施方式

本文在各个实施例中公开了一种热电变换器，该热电变换器具有充气室和一堆碱金属热电单元，其中充气室由隔板分成高压腔室和低压腔室，并且一堆碱金属热电单元从隔板正交地突出到其中一个腔室中。在一个实施例中，隔板由大体上平坦的构件形成，该大体上平坦的构件在充气室的侧壁之间延伸以将充气室分成高蒸汽压力腔室和低蒸汽压力腔室并且具有由盖在其的未固定的端部上的相应的单元堆覆盖的一个或多个开口。通过仅在一端（即，在隔板的开口）处固定单元堆，单元堆自由膨胀和收缩而没有经受困扰在两端固定的单元堆的机械应力/应变力。此外，通过将单元堆突出到高蒸汽压力腔室使得热从充气室壳体朝着单元堆向内被引导，获得了高效的热布置（即，因为通过单元堆辐射的热能在高蒸汽压力腔室中保持占优势，代替例如流到冷充气室壁），并且保持单元堆处于避免工作流体冷凝的温度。而且，在多个实施例中，给定堆中的单元借助连续接头被电互连并且被密封，从而简化了单元堆的构造并且限制单元之间的死空间。在其他实施例中，分流电流由隔离屏障抑制，该隔离屏障从单元堆的壁向外（和/或向内）突出以增大单元电极和不同电势的单元互连件之间的电路径长度。在又另外的实施例中，单独的单元的固体电解质部件借助突出的隔离屏障到单元壁中的延伸和/或通过一个或多个陶瓷接头与单元对单元互连件物理隔离以提供三相点隔离。这些和其他实施方式以及它们的特征和益处在下面进行讨论。

图2示出了热-电变换器150的实施例，该热电变换器150具有多个碱金属热电变换单元（161₁-161_N）的堆160，所述单元的堆从腔室限定隔板正交地突出。变换器150还被称为“热电”变换器，因为术语热-电和热电在本文可互换使用以指的是热能对电的变换。在图2所提出的示例中，隔板153由大体上平坦的圆盘形成，该圆盘绕圆柱形高压腔室151的侧壁（本文还被称为外壳或变换器壳体）固定，从而将充气室151分成高蒸汽压力腔室155和低蒸汽压力腔室156。在所示的实施方式中，电磁泵158在两个腔室之间耦合以通过油绳（通过毛细管作用操作）将碱金属液体从低压腔室泵送到高压腔室，或者在另选的实施例中可以采用任何其他的用于在腔室之间传输碱金属液体的可行机构。

被施加至与高压腔室相邻的充气室壁的外表面的热源159（尽管热源可以另选地或另外地突出到或被嵌入高压腔室内，和/或可以使用远程锅炉）以将其中的高压碱金属蒸汽（例如，钠蒸汽、钾蒸汽或任何其他可行的碱金属蒸汽）加热到如下温度，该温度在两个腔室之间形成压力（或浓度）梯度、用于设备操作的驱动力。更具体地，隔板153中的开口有效地将低压腔室延伸到单元堆160的内部，从而建立跨每个单元161_i的固体电解质壁的压力或浓度梯度，该梯度促进碱金属电离并且驱使电离的碱金属离子通过固体电解质到达每个单元的内部表面。通过电离反应释放的电子由固体电解质阻挡并且由多孔电极（即，阳极）收集在外部单元表面上，从而形成每个单元的外部表面和内部表面之间的电势。

仍参考图2，单元互连结构162在相邻单元的阴极和阳极之间延伸（并且还密封相邻单元之间的间隙以保持高压腔室和低压腔室之间的分离）以串联地耦合堆160的构成单元。因此，每个突出的单元堆160的整体电势是堆叠的单元的数量（N）和每个单元的电压（V_单元）的乘积，并且因此比单片突出单元的电压高N倍。此外，这比较和假定了堆叠单元和单片单元突出部之间的可比较功率密度和净阻抗，突出单元堆160的电流将是单片实施方式中流动的电流的1/N，这产生引人注目的较低的（即，除以N²）欧姆损失和因此产生相应地较高的热电变换效率。如下面所讨论的，堆叠的单元突出的较高的输出电压/较低的输出电流性质提供用于较高阻抗电极的公差，并且因此提供在典型地由常规的设计所要求的昂贵的且不可靠的辅助电流收集结构（例如绕接线）方面居先的设计。因此，在下面所讨论的许多实施例中，阳极和阴极电极仅由多孔金属沉积物形成，从而提高设备可靠性和耐久性并且使得能够简单且有效地实施图2所示的更热有效的腔室布置（即，在突出的单元堆的外侧上的高压腔室）。

形成单元堆的壁的固体电解质板通常与用来形成充气室壳体和隔板153的抗氧化材料（例如，不锈钢）相比展现低热膨胀率。因此，为了说明充气室151、隔板153和突出的单元堆160的潜在的非均匀的热膨胀，可延展的堆安装构件166被设置以将给定堆的起始单元（161₁）固定至对应的隔板开口的周界。在一个实施方式中，例如详图170a和170b所示，堆安装件166由铜焊或以其他方式固定和电耦合在隔板开口的周界和起始单元的下侧之间的铌圆顶（钼、钽、钛、各种合金等也可以被使用）实现。该可延展的圆顶状堆安装件166可以被直接结合到低热膨胀率的固体电解质板172，而不需要接头169处的不适当的应力，而堆安装件166的半径将弹性变形以减轻在接头168（其可以被形成在关于隔板153中的开口放置的凹口、凹槽、沟槽或其他凹部内）中的高热膨胀率隔板材料处引起的应力，而没有将该应力传递至固体电解质板172。因此，通过该布置，接头168和169以及可延展的堆安装件166将起始单元161₁固定至隔板153（密封隔板开口并且因此保持高压腔室和低压腔室之间的分离）并且将隔板电耦合至起始单元的阳极电极171。比较示出处于空闲（未加热）和操作（加热）状态的变换器的两个详图170a和170b，可延展的堆安装构件166在隔板变热（当隔板和充气室壁膨胀时扩大隔板开口）时关于圆顶半径塑性变形（即，在堆安装件/隔板接头168处展示逐渐变大的内部半径并且因此使圆顶变平），并且在隔板冷却时收缩，从而保护接头169以及突出的单元堆中的基部单元的固体电解质板在由突出的单元堆160和隔板构件153所见的温度范围内不受可延展的堆安装件166中形成的应力的影响。

如上所讨论的，图2的突出的单元堆布置的单侧安装为单元堆轴向（即，沿垂直于充气室隔板的方向）膨胀和收缩提供自由度，而没有经受使图1B的两侧连接单元堆苦恼的机械压缩和张力。另外，在单元堆的外侧上建立高压室（即，由内而外的腔室的配置）确保了高压碱金属蒸汽迫使所有的单元互连接头压缩在一起，从而避免了能从相反配置或图1B的双侧连接环状腔室布置（经受单元壁的弯曲并且因此经受单元互连上的相当大的拉力）中的严重的拉伸压力引起的灾难性的接头破坏。而且，敏感的阴极在电解质单元内并且因此通过以下得到保护，由对污染源（例如，不锈钢充气室壁）的低视线暴露以及从电解质组件外的钠蒸汽通过隔板开口流入低压腔室的较宽区域中的泵作用。由内而外的腔室的配置还实现如上所述的热有效的加热配置，从而避免图1A和图1B所示的内部加热的单元的大的热损失（以及对昂贵的热屏蔽布置的需要）。

关于图2所示的具体的实施方式，隔板开口、单元堆、每堆单元的特定数量、变换器取向等等仅为了说明目的被描述，任何以及所有这样的参数可以在另选的实施方式中被改变。而且，虽然关于圆盘状隔板中的圆形隔板开口（或孔）设置的圆柱形单元堆（以及对应的圆柱形充气室）在图2中被示出并且在下面的示例中被阐述，但是根据给定的应用或制造过程中的有益的形式因素，单元堆和对应的隔板开口和/或隔板以及充气室轮廓可以在另选的实施方式中具有其他形状（例如三角形、四边形或其他多边形）。此外，虽然可延展的堆安装构件166被设置以减小通过使突出的单元堆与用来形成充气室壳体和隔板（即，分别151和153）的材料的的热膨胀不同引起的应力，在另选的实施方式中，充气室壳体和/或隔板可以由这样的材料（例如氧化铝）形成，即，该材料展示类似于突出的单元堆内的材料的热膨胀系数，并且使得在一些设计中能够省除可延展的堆安装构件166。

图3图示可以用来实施图2的突出的单元堆内的单独的单元的示例性低纵横比热电单元185。如所示的，单元由圆柱形固体电解质板187形成（例如，在钠或钾工作流体的情况下分别为钠β或β’’氧化铝固体电解质或钾β或β’’氧化铝固体电解质，或者β和β’’相加稳定剂的混合物等，所有这些在本文简称（含）为“基部（BASE）”），该圆柱形固体电解质板具有设置在其内部和外部表面上的多孔电极以分别形成阴极188和阳极189。尽管多孔电极的相对低的电导，研究显示，通过限制相对低的纵横比（即，低高度-直径比或低高度-周长比）单元中的单元高度并且提供限制非期望的分流电流的结构，鉴于在堆叠的结构中获得的电流的减小可以忍受低电极电导，从而避免了对绕接线或其他昂贵的且不可靠的辅助电流收集的需要。更具体地，倾向于存在设计优化，其中单元的高度足够高以避免单元对单元互连的过度激增（从发电观点看死区），但是不高到将电极阻抗提高到需要辅助电流收集的水平。在一些实施例中，例如在3.0厘米以下或者甚至在1.0厘米以下（例如，8毫米（8mm））的单元高度可以落在该优化范围内。例如，通过将腔室高度（堆的顶部和充气室壁之间的较小的空闲温度公差）除以目标单元高度，单元高度标准可以用来确定给定的变换器设计内的单元计数。作为一示例，在4mm公差下具有10厘米室高度（在考虑可延展的堆安装件的最大高度之后）的变换器中，十二个8mm单元可以堆叠在隔板和充气室之间。不同的优化的单元高度可以应用于利用不同类型的多孔电极、不同的化学处理（例如，作为工作流体的钾蒸汽）、单元直径等的实施例中。而且，对于圆锥形或圆柱形单元，至少，设计优化可以在单元纵横比（即，轴向长度与直径的比）方面得到表现，相对于0.1至1的比并且优选地但不必要地低于0.5。

图4示出了根据一个实施例的突出的单元堆200的局部横截面。如上述实施方式中，N个单元201中的每个单元均分别包括被夹设在多孔阳极电极207和多孔阴极电极209之间的固体电解质板205（例如，β双主氧化铝固体电解质（BASE））。从每个较低电势单元的阴极连续延伸到较高电势相邻单元（即，单元‘i’的阴极到单元‘i+1’的阳极，其中‘i’是单元指数）的铜焊接头211作用为串联地耦合单元（从而在每个单元的阴极建立逐渐增量的电势，i*V_单元）以及还密封单元之间的间隙的双重功能。与被焊接在图1B的现有技术单元堆中的相邻单元之间的金属板相比，单接头互连件减少了部件计数（简化并节约了装置生产），并且产生单元之间的基本较小的死区，从而使得单元计数能够延伸（例如，超过图1B所示的三个单元），而没有过度地危及变换器的功率密度。

铜焊接头212和214还分别设置在堆的底座和自由端（即，堆中的起始单元和最后单元）处，其中接头212将堆中的起始（或基部）单元固定并电耦合至导电的、可延展的安装构件215（并且因此固定并电耦合至充气室隔板），并且接头214将堆中的最后的单元固定并电耦合至覆盖堆的自由端的导电盖218上。盖218可以由导电金属或者由复合材料（例如，具有电耦合至接头214的导电底板的玻璃和/或陶瓷结构）实施。在所示实施方式中，引线221、导电杆等耦合至盖218（或者其导电部件）以形成单元堆的正端子。在具有多个单元堆的变换器中，用于每个单元堆的引线221均通过充气室隔板中的对应的开口布线并且可以在从充气室壳体出来之前与用于其他单元堆（如果存在一个以上堆）的引线接合，或者可以在相应的出口点处从充气室直接离开（即，与形成单元的负端子的充气室壁隔离）。

仍参考图4，突出的隔离构件被设置以克服困扰现有技术变换器120（图1B）的分流表面电流。更具体地，这里被称为阳极侧隔离器的环状隔离构件225关于每个电解质单元的外周设置在单元的阳极207和到较高电势单元的阳极的铜焊互连件211之间。类似的阴极侧隔离器277也可以关于每个单元的内周设置在单元的阴极209和到较低电势单元的铜焊互连件之间。在两种情况下，隔离器执行覆盖以其他方式暴露的电解质板205的部分（限制电解质/互连件接合到钠蒸汽并且因此防止三相点和它们使能的非期望的分流电流）并且增大较高或较低电势的电极和互连件211之间的表面路径长度的双重功能。增大的表面路径长度对于阻挡被相信困扰图1B的现有技术手段的表面水平分流电流（即，在钠蒸汽中横跨单元壁的表面流动的电子）特别有效，因为那些功率削弱电流被阻挡，而不必加宽阳极和至较高电势单元的互连件之间的死区。

图5示出了图4的单元对单元互连件211和突出隔离器的展开图，强调了阳极207和单元互连件211之间（即，围绕阳极侧隔离器）的延长的表面路径长度‘Z’。在一个实施例中，例如，延长的表面路径长度至少为阳极和单元互连件之间（即，如果隔离构件被省略通过电绝缘隔离器）的距离‘X’的至少两倍。在一个实施例中，突出距离‘Y’（即，阳极侧隔离器远离单元堆突出的距离，该距离在本示例中从固体电解质板的表面测量）基本上大于阳极207的厚度（例如，至少大50%）和/或至少与阳极207和互连件211之间的直接距离‘X’一样长。其他实施例可以采用足以限制给定的单元的阳极和至较高电势的单元的互连件之间的分流电流的任何尺寸的突出隔离器。类似的考虑适用阴极侧隔离器的尺寸，尽管较小隔离器宽度和突出距离可以应用（例如，阳极侧隔离器的对应的尺寸的75%或50%）。

图4和图5所示的突出隔离器可以由足以经受住高压室和低压室的金属蒸汽环境的任何电绝缘材料实施，所述电绝缘材料包括例如，但不限于氧化铝、氧化锆或其他高温玻璃、陶瓷或金属陶瓷。而且，高温玻璃料231或其他附着材料可以用来将隔离构件（或绝缘体）附着至固体电解质板，如例如详图230中示出的。

图5还示出复合互连结构，该复合互连结构可以被采用以代替连续的铜焊接头211在相邻单元之间电互连并且密封相邻单元之间的间隙。在所示的实施方式中，复合互连件包括垫圈237（例如，由钼、钽、钛、铌、金属合金等形成），该垫圈具有由玻璃料237（或其他绝缘介质）界定的S状截面，该玻璃料将垫圈固定在相邻单元的固体电解质板之间。端点铜焊接头239被设置以将垫圈237电耦合至相邻单元的电极（阴极和阳极）。在另选实施方式中，垫圈237可以具有大体上矩形（或者以其他方式四边形）的横截面，其中端点铜焊接头被延伸以弥补单元电极和垫圈之间的距离。尽管连续的铜焊接头通常与本文所述的实施方式结合来进行描述，但是在所有这样的情况下，可以使用复合互连结构，包括但不限于图5所示的复合互连结构。

图6示出了突出的单元堆中的热电单元的另选的互连。如所示，突出的隔离构件255和257延伸到相邻的单元的固体电解质板245之间的区域中，因此完全使固体电解质与单元对单元互连件（即，铜焊接头251）隔离。在所示实施方式中，玻璃或陶瓷接头253被设置以将突出的隔离构件255、257附接至相应的电解质板245，并且互连件251延伸穿过形成于隔离构件之间的通道，从而将隔离构件固定到彼此并且因此密封相邻单元之间的间隙而同时形成单元对单元的电互连。如图6显示，阳极电极和阴极电极（247，249）沿着固体电解质板的整个长度延伸（即，不存在隔离间隙）并且可以延伸超过陶瓷接头253以及突出的隔离构件255和257中的任一者或两者的部分或全部短侧。

图7示出了根据图6的隔离的电解质实施方式的突出的单元堆的剖面图。如图4的实施方式中，连续的铜焊接头262、264被用来使多个单元271在可延展的安装件215（即，用于关于隔板开口安装基部单元）和金属或复合盖218之间串联地电互连。通过所示的布置，获得相对高的电压、低的欧姆损失单元，其中突出的隔离构件抑制分流电流并且使得能够将相对高阻抗的多孔电极阳极和阴极用作跨单元壁的单独的电流收集和传导机构。图8示出了通过图7的实施方式获得的整体电互连，其中所有的导体被浓重遮蔽以强调电互连。如在上述实施方式中，单元堆的单侧机械连接允许单元堆热膨胀和收缩，而没有经受会快速磨损被固定在充气室的相反两端之间的单元堆的机械应力/应变力。因此，图7和图8的突出的单元堆实现了可以在各种应用（包括那些要求频繁的温度循环的）中部署的高度实用、有效且坚固耐用的热电变换器。

图9A至图9C示出了可以用来实施参照图4至图8的突出的隔离器（或绝缘体）的离散的且板集成的隔离器的另选的实施。更具体地，图9A示出了其中离散的环状隔离器303a和303b被固定至电解质板305的外部表面和内部表面（例如，在板的未由多孔电极覆盖的相反两端处的相应的区域中）的单元横截面301，并且因此大致对应于参照图4和图5描述的结构（注意，离散的隔离器303a和/或303b可以另选地被固定至电解质板的顶部/底部表面，如图6至图8所示）。相反，图9B和图9C示出了其中突出的隔离器与固体电解质板集成地形成的突出的隔离器的板集成的实施方式。在图9B的单元横截面311所示实施方式中，电解质板312在任一端处的径向突出部314、316（即，在一端向内并且在另一端向外）涂覆有高介电材料（诸如高温玻璃）以形成上述突出的隔离器。在图9C的单元横截面321所示的实施方式中，径向电解质突出部324和326被扩散或以其他方式植入有掺杂剂以破坏离子和电子电导率，再次形成增大单元互连结构和较高/较低电势的相邻电极之间的表面路径长度的突出隔离。

图10示出了突出的单元堆（350）内的热电单元的电极（电子导体）和电解质（离子导体）的电阻的集总元件模型，以及简化的等同电路（360）。通常，用于任何发电机的最大功率在被连接至匹配的阻抗负荷Z时出现并且由P=V²/4Z描述，其中V是发电机开路电压，并且Z是发电机阻抗。开路电压受变换器操作温度的影响，并且变换器通常经受两种类型的功率损失：寄生损失和发电机阻抗中的I²R损失。将这些用于碱金属热对电变换阴极的特定功率的识别和已知值，在i)寄生损失被充分限制以及2）I²R损失足够低以产生大于在小于900℃操作温度下针对阴极面积的每平方厘米的接近300毫瓦（300mW）的特定功率时能产生有效的、高功率热电变换器。如果使用电磁泵，设备中的固有损失包括钠循环损失或钾循环损失（即，蒸发的潜热）以及泵功率。寄生损失主要包括热损失（从热侧到冷侧的辐射和热传导）以及由于单元之间的隔离电阻造成的分流电流损失。对于具有高阻抗的较短单元，较高阻抗隔离被用在单元之间（例如，如上述突出的隔离结构中）以减小该寄生损失。如上所述，将单元堆突出到高蒸汽压力室（即，热侧）通过屏蔽高压室内的热电解质显著减小热损失，并且钠循环损失被大大固定。发电机中的电阻性的I²R损失在最大功率被输送到匹配负载时等于输出功率，因此电阻性损失应该通常足够低以满足设计目标（例如，在小于900℃下300mW/cm²，或者在较高或较低操作温度下分别较高或较低功率密度）。在本文的多个实施方式中，提供1）用于通过电子中和钠离子的场所以及2）低压侧上的低钠背压以保持高电压的阴极由具有相对短的电流收集距离的导电材料的薄的沉积（或以其他方式形成的）层来实施。通过限制单元高度（并且因此限制电流收集距离）到避免过度I²R损失的尺寸，并且将阴极厚度限制到避免抵抗蒸汽通道（即，通过电极和电解质壁）的过度背压的尺寸，可以获得目标功率密度（例如，在一个实施方式中在小于900℃下300mW/cm²），而没有要求昂贵的且不可靠的辅助的电流收集结构。其中每个构成单元的高度在3.0cm以下或者甚至在1.0cm以下（例如，8mm）或具有0.1至1的轴向长度与直径的比的堆叠的单元突出部已被确定以满足这样的设计目标，尽管具有在那些范围之外的单元高度和/或纵横比的突出的单元堆可以用于其他实施方式中。

在前述描述和附图中，特定的术语和附图标记已被阐述以提供本发明的全面理解。在一些情况下，术语和附图标记可以暗示不被要求实行本发明的特定细节。例如，单元的任何具体数量、单元堆、单元尺寸、材料类型、部件形状、互连或构造的方式等可以不同于另选实施方式中在上描述的那些方式。术语“耦合的”在本文用来表示直接连接以及通过一个或多个介于之间的电路或结构的连接。术语“示例性的”和“实施例”用来表示示例，不是优选或要求。

虽然已经参照其具体实施方式描述了本发明，但将明显的是，在没有脱离较宽的精神和范围的情况下可以对其进行各种修改和改变。例如，实施例中的任一个实施例的特征或方面可以，至少在可行的情况下，与实施方式中的任何其他实施方式结合或者代替其配对特征或方面。因此，说明书和附图被认为在说明性而非限制性意义上被考虑。

Claims (21)

1.一种热电变换器，所述热电变换器包括：

充气室；以及

多个在所述充气室内在堆中安装到彼此的碱金属热电变换单元，所述堆具有第一端和第二端并且仅在所述第一端处被机械地固定至所述充气室。

2.根据权利要求1所述的热电变换器，所述热电变换器还包括盖，所述盖耦合至所述堆的所述第二端以使所述堆的内部区域与在所述堆的外部的腔室分离。

3.根据权利要求1所述的热电变换器，其中，所述充气室包括蒸汽输入，所述蒸汽输入用于接收足以保持在所述堆外部的所述腔室和所述堆的所述内部区域之间的压差的碱金属蒸汽流。

4.根据权利要求3所述的热电变换器，其中，所述堆的所述热电变换单元固定至彼此并且经由导电接头彼此串联地电耦合。

5.根据权利要求4所述的热电变换器，其中，所述压差在所述导电接头上产生压缩力。

6.一种热电变换器，所述热电变换器包括：

由隔板分成第一腔室和第二腔室的充气室，所述隔板具有开口；以及

多个在堆中安装到彼此的碱金属热电变换单元，所述堆关于所述隔板中的所述开口设置并且从所述隔板正交地突出到所述第二腔室中。

7.根据权利要求6所述的热电变换器，所述热电变换器还包括盖，所述盖耦合至所述堆的与所述隔板中的所述开口相对的端部；以及导体，所述导体耦合至所述盖并且延伸穿过所述堆的内部区域以形成所述堆的第一电端子。

8.根据权利要求6所述的热电变换器，所述热电变换器还包括可延展的堆安装构件，所述堆安装构件用来将所述堆关于所述开口固定至所述隔板并且将所述堆中的所述热电变换单元的起始的一个热电变换单元的端子电耦合至所述隔板。

9.根据权利要求6所述的热电变换器，其中，所述堆被密封以使得能够在所述第一腔室和所述第二腔室之间建立压差以跨所述热电变换单元中的每一个热电变换单元的固体电解质壁显示。

10.根据权利要求9所述的热电变换器，其中，所述堆的所述热电变换单元固定到彼此并且经由导电接头彼此串联地电耦合，并且其中所述压差在所述导电接头上形成压缩力。

11.一种热电变换器，所述热电变换器包括：

第一碱金属热电变换单元和第二碱金属热电变换单元，每个碱金属热电变换单元均包括设置在阳极和阴极之间的固体电解质构件；以及

导电铜焊接头，所述导电铜焊接头从所述第一热电变换单元的所述阳极连续延伸到所述第二热电变换单元的所述阴极，并且将所述第一热电变换单元和所述第二热电变换单元物理地固定在堆中。

12.根据权利要求11所述的热电变换器，所述热电变换器还包括盖，所述盖耦合至所述堆的一端以使所述堆的内部区域与所述堆外部的腔室分离。

13.根据权利要求12所述的热电变换器，其中，第二腔室包括蒸汽输入，所述蒸汽输入用来接收足以保持所述堆的外部的所述腔室和所述堆的所述内部区域之间的压差的碱金属蒸汽流。

14.根据权利要求13所述的热电变换器，其中，所述压差在所述导电铜焊接头上产生压缩力。

15.根据权利要求11所述的热电变换器，所述热电变换器还包括

第三碱金属热电变换单元，所述第三碱金属热电变换单元具有设置在阳极和阴极之间的固体电解质构件；以及

另一导电铜焊接头，所述另一导电铜焊接头从所述第二热电变换单元的所述阳极连续延伸到所述第三热电变换单元的所述阴极，并且将所述第三热电变换单元物理地固定在所述堆中。

16.一种热电变换器，所述热电变换器包括：

在堆中安装至彼此的第一碱金属热电变换单元和第二碱金属热电变换单元，所述第一单元和所述第二单元中的每个单元均包括设置在阳极和阴极之间的固体电解质构件；

电互连结构，所述电互连结构从所述第一单元的所述阴极延伸到所述第二单元的所述阳极；以及

第一电绝缘屏障，所述第一电绝缘屏障设置在所述第一单元的所述阳极和所述电互连结构之间并且远离所述堆突出基本上大于所述第一单元的所述阳极的厚度的距离。

17.根据权利要求16所述的热电变换器，其中，从所述第一单元的所述阳极到所述电互连结构的所述第一电绝缘屏障上的表面路径长度至少为所述第一单元的所述阳极和所述电互连结构之间的距离的两倍。

18.根据权利要求16所述的热电变换器，所述热电变换器包括第二电绝缘屏障，所述第二电绝缘屏障设置在所述第二单元的所述阴极和所述电互连结构之间，并且在与所述第一电绝缘屏障的所述突出相反的方向远离所述堆突出。

19.根据权利要求16所述的热电变换器，其中，所述第一电绝缘屏障经由玻璃料固定至所述第一单元的所述固体电解质构件。

20.根据权利要求16所述的热电变换器，其中，所述第一电绝缘屏障具有基本上四边形的截面。

21.根据权利要求16所述的热电变换器，其中，所述第一电绝缘屏障在所述第一单元的所述固体电解质构件和所述第二单元的所述固体电解质构件之间延伸。